Термокомпресор

1 Термокомпрессор, содержащий линию всасывания и нагнетания и установленные между ними компрессионные блоки, включающие последовательно соединенные через перепускные обратные клапаны напорные ступени, состоящие из охлаждаемых рабочих камер с нагревателями, причем рабочая камера первой напорной ступени соединена с линией всасывания через впускной обратный клапан, а рабочая камера последней напорной ступени соединена с линией нагнетания через выпускной обратный клапан, отличающийся тем, что рабочие камеры одноименных ступеней каждого компрессионного блока соединены последовательно между собой через управляемые клапаны. 2. Термокомпрессор по п. 1, отличающийся тем, что между рабочими камерами одноименных ступеней каждого компрессионного блока и управляемыми клапанами установлены обратные клапаны. СМ Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано для создания высоких давлений Исследование и разработка новых высокопрочных и тугоплавких материалов требуют применения газостатической обработки при высоких давлениях и температурах При этом одно из основных требований к рабочему газу - отсутствие ларов масла, которые оказывают вредное воздействие как на обрабатываемые изделия, так и на детали внутренних устройств газостата. В связи с этим для сжатия рабочего газа, как правило, используют мембранные компрессоры. Освоенная в мировой практике область давлений - до 300 МПа (мембранные компрессоры фирм "Корблен", "Хофер". Сумское ПО "Компрессормаш" - 200 МПа) Дальнейшее повышение давлений связано с большими трудностями, связанными с прочностью мембраны. Вопрос получения давлений более 300 МПа более просто решается в термокомпрессорах. Работа термокомпрессора основана на периодическом нагреве и охлаждении газа в рабочей камере, оснащенной впускным и выпускным обратными клапанами При нагреве газа в рабочей камере возрастает давление и через выпускной обратный клапан газ поступает в линию нагнетания При последующем охлаждении газа давление в рабочей камере падает и при снижении давления до давления в пинии всасывания открывается впускной обратный, клапан, происходит всасывание следующей порции газа Особенностями термокомпрессора являются' - отсутствие движущихся частей и смаэки, загрязняющей газ; - бесшумность работы; - высокий уровень достижимых давлений (до 3000 МПа). - простота в изготовлении (отсутствует массивный корпус) Однако термокомпрессоры обладают существенным недостатком ~ это низкая энергетическая эффективность, обусловленная тем, что большая часть тепловой энергии, генерируемой электронагревателями, отводится в окружающую среду, не будучи использованной Известен термокомпрессор, содержащий соединенные трубопроводом с обратными клапанами цилиндрические рабочие камеры с электронагревателями и холодильниками Рабочие камеры снабжены поршнем, разделяющим его на над О N < 27447 поршневую и подпоршневую камеры, причем электронагреватели и холодильники размещены 8 подпоршневых камерах, и последние соединены трубопроводом с управляемыми клапанами [1] Наличие управляемых клапанов, последовательно соединяющих подпоршневые камеры, дзет возможность выпускать остаточный сжатый газ из менее напорной камеры в более напорную камеру для предварительного сжатия газа, что экономит тепловую энергию и повышает КПД термокомпрессора Недостатком известного устройства является сложность конструкции, обусловленная наличием подвижного газоплотного соединения между цилиндром и поршнем Обеспечение газоплотности указанного подвижного соединения требует смазки, загрязняющей рабочий газ Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является термокомпрессор, содержащий линию всасывания и нагнетания и установленные между ними компрессионные блоки, включающие последовательно соединенные через перепускные обратные клапаны напорные ступени, состоящие из охлаждаемых рабочих камер с нагревателями, причем рабочая камера первой напорной ступени соединена с линией всасывания через впускной обратный клапан, а рабочая камера последней напорной ступени соединена с линией нагнетания через выпускной обратный клапан [2] Термокомпрессор конструктивно прост, не имеет движущихся частей и смазки, загрязняющей газ Недостатком известного устройства является низкий КПД, обусловленный тем, что большая часть тепловой энергии, генерируемой электронагревателями, отводится в окружающую среду, не будучи использованной В основу изобретения поставлена задача создания термокомпрессора, в котором новое последовательное соединение рабочих камер одноименных ступеней каждого компрессионного блока позволило бы использовать энергию остаточного газа, и за счет этого повысить КПД термокомпрессора Поставленная задача решается тем, что в термокомпрессоре, содержащем линию всасывания и нагнетания и установленные между ними компрессионные блоки, включающие последовательно соединенные через перепускные обратные клапаны напорные ступени, состоящие из охлаждаемых рабочих камер с нагревателями, причем рабочая камера первой напорной ступени соединена с пинией всасывания через впускной обратный клапан, а рабочая камера последней напорной ступени соединена с линией нагнетания через выпускной обратный клапан, согласно предлагаемому изобретению рабочие камеры одноименных ступеней каждого компрессионного блока соединены последовательно между собой через управляемые клапаны В предпочтительном варианте выполнения термокомпрессора между рабочими камерами и управляемыми клапанами дополнительно установлены обратные клапаны Отличительной особенностью предлагаемого термокомпрессора является использование энергии остаточного газа Для этого сжатый газ, оставшийся после цикла нагнетания э рабочей камере напорной ступени одного компрессионного блока с помощью управляемого клапана выпускают а рабочую камеру одноименной ступени другого компрессионного блока Таким образом, энергия остаточного газа одной рабочей камеры используется на предварительное сжатие газа в другой рабочей камере, что позволяет увеличить КПД термокомпрессора Кроме того, в варианте выполнения термокомпрессорэ, в котором между рабочими камерами одноименных ступеней каждого компрессионного блока и управляемыми клапанами установлены обратные клапаны, исключается обратный ток газа, снижаются требования к скорости закрывания управляемого клапана и остаточная энергия газа в рабочей камере используется полностью. На чертеже представлена схема предлагаемого термокомпрессора Термокомпрессор содержит рабочие камеры 1А-ЗА с нагревателями 4, соединенные последовательно через перепускные обратные клапаны 5А и 6А Первая рабочая камера 1А соединена с пинией всасывания 7 через впускной обратный клапан 8А, а последняя рабочая камера ЗА соединена с линией нагнетания 9 через выпускной обратный клапан 10А Рабочие камеры охлаждаются холодильником 11. К рабочим камерам 1А-ЗА последовательно подсоединены управляемые клапаны 12А, 13А. 14А и обратные клапаны 15А, 16А, 17А, соответственно Рабочие камеры 1А-ЗА образуют компрессионный блок А Между линией всасывания 7 и линией нагнетания 9 установлено несколько компрессионных блоков - А, В и С, причем равнонапорные рабочие камеры 1А, 1В, 1G последовательно соединены между собой через управляемые клапаны 12А, 12В, 12С и обратные клапаны 15А, 15В, 15С Одноименные рабочие камеры 2А, 2В, 2С последовательно соединены между собой через управляемые клапаны 13А, 13В, 13С и обратные клапаны 16А, 16В, 16С. Одноименные рабочие камеры ЗА, ЗВ, ЗС последовательно соединены между собой через управляемые клапаны 14А. 14В, 14С и обратные клапаны 17А, 17В, 17С Термокомпрессор работает следующим образом. При включении нагревателя 4 рабочей камеры 1А происходит нагрев газа, поданного в камеру по линии всасывания 7 через впускной обратный клапан 8А Процесс разогрева газа сопровождается ростом давления. Перепускной обратный клапан 5А открывается и газ поступает в рабочие камеры 2А, ЗА и через пинию нагнетания 9 потребителю После выключения нагревателя 4 открывают управляемый клапан 12А и остаточный сжатый газ из рабочей камеры 1А компрессионного блока А через обратный клапан 15А выпускают в одноименную рабочую камеру 16 компрессионного блока В, при этом газ в рабочей камере 1А адиабатически расширяется, значения давления и температуры газа падают Одновременно, аналогичные параметры газа в рабочей камере 1В возрастают Таким образом, за счег остаточной энергии сжатого газа рабочей камеры 1А происходит предварительное сжатие газа в рабочей камере 27447 IB После выравнивания давления в рабочих камерах 1А и 1В, управляемый клапан 12А закры вают Включают нагреватель рабочей камеры 2А В рабочей камере 2А и последующих камерах компрессионного блока А происходят процессы, аналогичные процессам, происходящим в камере 1А Остаточный сжатый газ из рабочих камер 2А, ЗА компрессионного блока А через управляемые клапаны 13А, 14А и обратные клапаны 16А, 17А выпускают в одноименные рабочие камеры 2В, ЗВ компрессионного блока В, соответственно В рабочих камерах 1В-ЗВ компрессионного блока В происходят процессы, аналогичные процессам, происходящим в рабочих камерах 1А-ЗА Остаточный сжатый газ из рабочих камер 1В 2В, ЗВ компрессионного блока В через управляемые кпапаны 12В, 13В, 14В и обратные клапаны 15В, 16В, 17В выпускают в одноименные рабочие камеры 1С, 2С, ЗС компрессионного блока С, соответственно При этом, одновременно по мере охлаждения и снижения давления в рабочей камере 1А до давления в пинии всасывания 7 открывается впускной клапан 8А и в рабочую камеру 1А поступает следующая порция і аза В последнем компрессионном блоке С остаточный сжатый газ из рабочих камер 1С, 2С, ЗС через управляемые клапаны 12С, 13С, 14С и обратные клппаны 15С, 16С, 17С выпускают в одноименные рабочие камеры 1А, 2А ЗА первого компрессионного блока А соответстоенно Конкретный пример выполнения термокомпрессора с достижением поставленной задачи приведен для термокомпрессора, имеющего 6 компресионных блоков с одной рабочей камерой в каждом компрессионном бпоке и использующего в качестве рабочего газа аргон Рабочие камеры охлаждаются жидким азотом Параметры предлагаемого термокомпрессора и прототипа следующие - количестве компрессионных блоков - количество рабочих камер в компрессионном блоке - объем рабочей камеры - температура охлаждения газа в рабочей камере - температура отогрева газа в рабочей камере - время отогрева газа в рабочей камере - время охлаждения газа в рабочей камере - давление в линии всасывания - термокомпрессор работает в комплекте с газостатом со свободным объемом • Работа предлагаемого термокомпрессора за 2 цикла представлена в таблице 1' В начальном состоянии давление в рабочих камерах 1А, 1В, 1С, 1D, 1Е, 1F и газостате равно давлению в линии нагнетания 150 атм Включали нагреватель рабочей камеры А1 на 30 сек Процесс разогрева газа сопровождался ростом давления Открывался выпускной обратный клапан и газ поступал в пинию нагнетания и далее в газостат В рабочей камере 1А и газостате устанавливалось давление 274 атм После выключения нагревателя подавали управляющий сигнал на открытие управляемого клапана Через 2 сек управляемый клапан открывался и остаточный сжатый газ из рабочей камеры 1А через обратный клапан выпускали в рабочую камеру 1В При этом, газ в рабочей камере 1А адиабатически расширялся, значение давления газа падало с 274 атм до 227 атм Одновременно, давление газа в рабочей камере 1В возрастало от 150 атм до 227 атм Таким образом, за счет остаточной энергии сжатого газа рабочей камеры 1А происходило предварительное сжатие газа в рабочей камере 1В После выравнивания давления в рабочих камерах 1А и 1В, обратный клапан закрывался и после этого подавали управляющий сигнал на закрытие управляемого клапана Включали нагреватель рабочей камеры 1В В рабочей камере 1В и. дапее, в последующих камерах происходили процессы аналогичные процессам, происходившим в камере 1А Остаточный сжатый газ из рабочей камеры 1В выпускали в камеру 1С, из камеры 1С - в камеру ID и так далее 6 1 200 см 3 90 К 300 К 30 сек 150 сек 150 атм 1000 см э В последней рабочей камере 1F после дожатия и камеры 1Е давление составило уже 624 атм Включали нагреватель на 30 сек Открывался выпускной обратный клапан и газ поступал в линию нагнетания и далее в газостат В рабочей камере 1F и газостате устанавливалось давление 1682 атм После выключения нагревателя подавали управляющий сигнал на открытие управляемого клапана Через 2 сек управляемый клапан открывался и остаточный сжатый газ из рабочей камеры 1F через обратный клапан выпускали в рабочую камеру 1А Значение давления газа в камере 1F падало с 1632 атм до 811 атм Одновременно, давление газа в рабочей камере 1А возрастало от 150 атм до 881 атм За счет остаточной энергии сжатого газа рабочей камеры 1F происходило предварительное сжатие газа в рабочей камере 1А После выравнивания давления в рабочих камерах 1А и 1В обратный клапан закрывался и после этого подавали управляющий сигнал на закрытие управляемого клапана Общее время работы термокомпрессора составило 2х6х(30 сек + 2 сек) = 384 сек (6.4 мин) После завершения второго цикла сжатия предлагаемым компрессором давление в газостате составило 4982 атм Работа прототипного термокомпрессора за 2 цикла представлена в таблице 2 Общее время работы прототипного термокомпрессора составило 2х6х(30 сек) = 360 сек (6,0 мин) 27447 После завершения второго цикла сжатия за сравнимое время позволяет создать давлепрототипным компрессором давление в газостате ние в 2 раза (4982/2492 - 2) выше чем протосоставило 2492 атм типный компрессор КПД термокомпрессора по Таким образом при равных энергетичесвышаегся в 2 раза ких затратах предлагаемый термокомпрессор Работа предлагаемого термокомпрессора за 2 цикла Таблица 1 Давление в камерах, атм А1 В1 С1 D1 Е1 F1 Гаэостат Начальное состояние 150 150 150 150 150 150 150 Отогрев камеры А1 274 150 150 150 150 150 274 Перепуск газа из А1 в В1 227 227 150 150 150 150 274 Отогрев камеры В1 150 422 150 150 150 150 422 Перепуск газа из В1 в С1 150 282 282 150 150 150 422 Отогрев камеры С1 150 150 640 150 150 150 640 Перепуск газа из С1 в 01 150 150 375 375 150 150 640 Отогрев камеры D1 150 150 150 904 150 150 904 Перепуск газа из D1 в Е1 150 150 150 500 50Q 150 904 Отогрев камеры Е1 150 150 150 150 1247 150 1247 Перепуск газа из Е1 в F1 150 150 150 150 624 624 1247 Отогрев камеры F1 150 150 150 150 150 1682 1682 Перепуск газа из F1 в А1 811 150 150 150 150 811 1682 Отогрев камеры А1 2149 150 150 150 150 150 2149 Перепуск газа из А1 в В1 998 998 150 150 150 150 2149 Отогрев камеры В1 150 2678 150 150 150 150 2678 Перепуск газа из В1 в С1 150 1122 1122 150 150 150 2678 Отогрев камеры С1 150 150 3239 150 150 150 3239 Перепуск газа из С1 в D1 150 150 1371 1371 150 150 3239 Отогрев камеры D1 150 150 150 3799 150 150 3799 Перепуск газа из D1 в Е1 150 150 150 1496 1496 150 3799 Отогрев камеры Е1 150 150 150 150 4359 150 4359 Перепуск газа из Е1 в F1 150 150 150 150 1745 1745 4359 Отогрев камеры F1 150 150 150 150 150 4982 4982 Перепуск газа из F1 в А1 1869 150 150 150 150 1869 4982 1 цикл 2 цикл Таблица 2 Работа прототипного термокомпрессора за 2 цикла Давление в камерах, атм В1 D1 Е1 F1 Газостат 150 150 150 150 150 150 406 150 150 150 150 150 С1 150 А1 Начальное состояние 150 150 577 150 150 150 150 150 150 749 150 150 150 150 150 150 966 150 150 150 150 150 150 1184 274 406 577 749 966 150 150 1 цикл А1 В1 С1 D1 Ы F1 274 150 150 150 150 150 Отогрев камеры А1 1433 Отогрев Отогрев Отогрев Отогрев Отогрев Отогрев камеры камеры камеры камеры камеры камеры 2 цикл | 150 | 150 I 15° 1184Г 1433 27447 Продолжение табп 2 Давление в камерах, атм А1 Отогрев Отогрев Отогрев Отогрев Отогрев камеры камеры камеры камеры камеры В1 С1 D1 Е1 F1 В1 С1 D1 Е1 F1 Газостат 150 1682 150 150 150 150 1682 150 150 1900 150 150 150 1900 150 150 150 2118 150 150 2118 J50 150 150 150 2305 150 2305 150 150 150 150 2492 2492 150 /ОА л а Lr Тираж 50 екэ Відкрите акціонерне товариство «Паіент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна 101 (03122)3-72-89 (03122)2-57-03